李 燁

（武漢鋼鐵江北集團(tuán)冷彎型鋼有限公司，武漢 430015）

軋輥是軋鋼生產(chǎn)中最主要的工藝件，軋輥與軋件直接接觸使軋件發(fā)生塑性變形，從而完成軋制過程。軋機(jī)的其他部件，都是為了安裝、支撐、調(diào)整和更換軋輥以及引導(dǎo)、控制軋件正確進(jìn)出軋輥而設(shè)置的。軋輥經(jīng)常在高溫、高壓、激冷激熱和沖擊等惡劣條件下工作，對軋輥的強(qiáng)度、表面硬度、耐磨性、耐熱裂性等質(zhì)量性能是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。對冷彎型鋼及高頻焊管的生產(chǎn)來說，軋輥質(zhì)量的好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。要想提高型鋼產(chǎn)品的質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，有必要對軋輥的質(zhì)量和使用進(jìn)行控制。對于型鋼生產(chǎn)來說，軋輥質(zhì)量包括軋輥的加工質(zhì)量和軋輥的設(shè)計(jì)質(zhì)量，軋輥的加工質(zhì)量由專業(yè)的軋輥加工廠來控制，一般按GB/T 31936 進(jìn)行驗(yàn)收；軋輥的設(shè)計(jì)質(zhì)量最好由型鋼生產(chǎn)廠家來控制。筆者根據(jù)多年來的冷彎型鋼及高頻焊管的生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，為了減少軋輥的投入、降低軋輥的消耗，對軋輥材質(zhì)選用、軋輥設(shè)計(jì)及使用等方面進(jìn)行了探討。

1 軋輥的合理選材

軋輥的材質(zhì)選取是冷彎型鋼及高頻焊管機(jī)組軋輥設(shè)計(jì)最基本的部分之一。不同的材質(zhì)，具有不同的性能，適用于不同的軋制環(huán)境。選用不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

1.1 常用軋輥材質(zhì)

作為冷彎型鋼及高頻焊管所用的軋輥，其材質(zhì)要求有：①較高的硬度和耐磨性，足夠的強(qiáng)度和韌性，良好的切削性能和熱處理性能；②材料的價(jià)格經(jīng)濟(jì)，取材容易；③個(gè)別軋輥還要求有良好的耐熱性。因此，一般情況下國內(nèi)冷彎型鋼軋輥所用的材質(zhì)主要有GCr15、9Cr2Mo、Cr12MoV、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、ZCr20 和 ZCr25；國外所用材質(zhì)主要有德國的X155CrVMo121 和X38CrMoV51、美國的 D2 和 H13、日本的 SKD11和SKD61 等，各材質(zhì)的化學(xué)成分見表1[1]。

由于化學(xué)成分、熱處理方式不同，它們表現(xiàn)出的性能也不盡相同。GCr15 鋼屬滾動(dòng)軸承鋼，價(jià)格相對較低，易選購，好鍛造，淬透性好，熱處理后強(qiáng)度高，硬度大，耐磨性好，但其抗熱裂性和抗剝落性差；9Cr2Mo 與GCr15 性能相似；Cr12MoV 鋼是一種高碳高鉻鋼，具有很高的硬度和疲勞強(qiáng)度，良好的耐磨性、韌性及熱處理性能，因其含有Mo 和V，不但能提高鋼材的回火穩(wěn)定性和淬透性，還能細(xì)化晶粒，改善鋼材韌性，因此具有較高的硬度和抗疲勞強(qiáng)度，與日本的SKD-11、美國的D2比較接近；3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1 鋼是一種含鎢較高的模具鋼，具有較高的紅硬性，與美國的H13 相似，但材料的硬度和耐磨性不及 GCr15；高鉻合金軋輥 ZCr20、ZCr25 采用特殊的鑄造、熱處理工藝生產(chǎn)出來的高鉻合金新材料軋輥，不僅具有較高的硬度和較好的沖擊韌性，而且具有良好的耐磨性能，越來越受到國內(nèi)外冷彎型鋼用戶的青睞[2-4]。

表1 主要冷彎型鋼軋輥化學(xué)成分

1.2 軋輥材質(zhì)的選取

根據(jù)軋輥工作環(huán)境，結(jié)合軋輥性能可合理選擇軋輥的材質(zhì)，材質(zhì)選取不當(dāng)，易出現(xiàn)失效，加大了軋輥的消耗，并影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。普通成型軋輥和定徑軋輥，其受力較大、磨損快、受一定的沖出力，要求強(qiáng)度高、耐磨性好、有一定的韌性。所以國內(nèi)一般選用GCr15、9Cr2Mo 、Cr12MoV、ZCr20 等制作成型輥和定徑輥，國外則選用與此相當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)，如美國的D2、德國的X155CrVMo121、日本的 SKD11。擠壓軋輥除了受沖擊、磨損外還要承受激冷激熱的影響，工作環(huán)境惡劣。目前擠壓輥的材質(zhì)我國主要選用3Cr2W8V 及ZCr25 等耐激冷激熱的材料；國外主要選用美國的 H13、德國的 X38CrMoV51 、日本的SKD61 等模具鋼，其材質(zhì)純凈度極高，采用先進(jìn)的鍛造工藝，獨(dú)特控制的熱處理工藝制作。高鉻鋼ZCr20、ZCr25 為一種高鉻鑄造合金鋼，強(qiáng)度高、硬度大，通過特殊的熱處理工藝后，可別適應(yīng)成型輥和擠壓輥的要求。當(dāng)然，將受力不大、磨損較小的部分成型軋輥使用價(jià)格較低的材質(zhì)（如45 鋼等），能降低軋輥的投入。

2 軋輥孔型和結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 合理減少軋輥的總量

軋輥的價(jià)格相對較高，科學(xué)設(shè)計(jì)軋輥孔型，合理減少軋輥的使用量，可有效地降低生產(chǎn)成本。軋輥設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足產(chǎn)品工藝、軋輥重車量及生產(chǎn)調(diào)整等情況下，盡量減小軋輥的直徑，以減少軋輥的總量。考慮到冷彎產(chǎn)品在生產(chǎn)的過程中，由于每一機(jī)架成型作用不同，孔型的每一個(gè)部位受力不同，對軋輥的要求是不一樣的。實(shí)踐證明，在保證軋件有足夠拖動(dòng)力的同時(shí)，可根據(jù)各架次軋件成型所需的成型力情況，用軋輥定位隔套代替部分軋輥。如圖1所示，在生產(chǎn)大型槽鋼時(shí) A、B、C、D 四個(gè)部分可用隔套代替這里的軋輥。采用這種設(shè)計(jì)方法，對于一些較大的孔型，可減少約20%的軋輥投入，降低生產(chǎn)成本。

圖1 大型槽鋼成型軋輥配置示意圖

另外，對于僅生產(chǎn)某一系列的產(chǎn)品，可使用專用軋機(jī)增加軋輥的通用性，有效減少軋輥的總量。如對于專業(yè)生產(chǎn)圓管的軋機(jī)可采用柔性成型技術(shù)的可變徑軋輥[5]。大型圓管的可變彎曲半徑軋輥如圖2所示，與傳統(tǒng)的圓管成型相比，減少了30%以上的軋輥投入。

圖2 大型圓管的可變彎曲半徑軋輥示意圖

2.2 充分考慮軋輥的磨損

2.2.1 減少軋輥使用面線速度差，降低軋輥磨損

冷彎型鋼產(chǎn)品的孔型，基本上都有一定的深度。生產(chǎn)過程中，軋輥隨著輥軸旋轉(zhuǎn)，孔型側(cè)壁不同深度點(diǎn)的線速度不同。孔型越深，其上下點(diǎn)的線速度差就越大，軋輥的孔型表面與軋件接觸的表面的相對運(yùn)動(dòng)就越大。隨著成型力的增大，軋件表面發(fā)生塑性變形，從而使兩金屬面直接接觸處發(fā)生粘著現(xiàn)象[2]。因?yàn)檎持帟?huì)被剪切力拉斷，粘著處的不斷形成和不斷破壞使軋輥產(chǎn)生了粘著磨損。在一般情況下，由于軋輥的硬度和強(qiáng)度較大，在軋件一邊分離面的軋件表面就出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，影響產(chǎn)品質(zhì)量，而軋輥面上產(chǎn)生擦傷。為了減少這種現(xiàn)象的發(fā)生，就必須盡量減少軋輥與軋件表面的線速度差，在實(shí)踐中主要有以下兩種方法：

一是采用 “同步軋輥”。所謂 “同步軋輥”是使同一支軸上大小不同的軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相對地同步，較大的軋輥通過帶有的軸承被動(dòng)旋轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，盡量減少孔型側(cè)壁與軋件的線速度差，從而減輕軋輥的粘著磨損，降低軋輥的消耗。如圖3，軋輥 A、B 的斜面 ef 和 mn 均承受著較大的彎曲成型力，并且斜面的線速度從下至上各點(diǎn)越來越大，存在較大的速度差，一般情況下，e、m 兩處軋輥的粘著磨損較大。但將A、B 兩輥改成如圖4所示的 “同步軋輥” 后，軋輥被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，兩斜面各點(diǎn)的速度可自行調(diào)節(jié)，軋輥e、m處的線速度差可降低一半，有效地減輕了軋輥的磨損，同時(shí)減輕了產(chǎn)品表面的劃傷[6]。

圖3 大型外卷邊槽鋼軋輥配置示意圖

圖4 帶有軸承的“同步軋輥”示意圖

二是采用不同的輥軸傳動(dòng)。將孔型不同部位的軋輥采用不同方位的軸傳動(dòng)，使孔型各表面的線速度盡量一致，從而減少粘著磨損。如將只有上、下平輥的兩輥機(jī)架改為帶有中間插入輥的四輥機(jī)架，盡量使孔型各部分的軋輥表面線速度一致（如圖5）。又如對專業(yè)生產(chǎn)大型圓管的軋機(jī)采用柔性成型技術(shù)，使用排輥成型，因軋輥分別繞各自的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與軋件同步運(yùn)行，不僅減少了產(chǎn)品的劃傷，還有效地減輕了軋輥的磨損。

圖5 帶側(cè)立輥的四輥配置示意圖

2.2.2 適當(dāng)分解軋輥，減少軋輥的耗損

在冷彎成型的過程中，同一孔型的不同部位因受力不同，其磨損有所不同。雖然在設(shè)計(jì)時(shí)可采用各種方法減少軋輥的磨損，但部分軋輥的磨損或破損在所難免。為了減少軋輥的報(bào)廢量，在軋輥設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮孔型各部分的受力，將易損壞的軋輥與不易損壞的軋輥分解成不同的輥片，即設(shè)計(jì)成組合軋輥。這樣，一旦受力較大的軋輥片先磨損或破損，可只更換這破損的軋輥片即可，其他軋輥輥片可繼續(xù)使用，從而減少軋輥的消耗。

2.3 合理使用組合軋輥，增強(qiáng)軋輥的通用性

對于同一類大型型鋼的軋輥，為了便于組合出更多規(guī)格的孔型，將其中某些單個(gè)整體軋輥分解成若干個(gè)軋輥片的組合軋輥，或?qū)⒁黄堓伒膬啥嗽O(shè)計(jì)出不同的圓弧半徑，從而增加部分軋輥的通用性，有效減少軋輥的總質(zhì)量。如圖5所示，考慮到軋制不同尺寸、不同厚度的產(chǎn)品，將上輥分為A、B 兩輥，并將每片軋輥的兩端設(shè)計(jì)不同的圓弧半徑。這樣可以通過調(diào)整A、B 兩輥的寬度來生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品，也可通過使用不同的軋輥圓弧半徑來生產(chǎn)不同厚度的產(chǎn)品，從而較大程度地增強(qiáng)軋輥的通用性。

3 軋輥的正確使用

設(shè)計(jì)好的軋輥，選擇信譽(yù)度高、加工質(zhì)量可靠的專業(yè)軋輥加工廠家進(jìn)行軋輥加工，軋輥回廠后應(yīng)對軋輥的各尺寸及性能進(jìn)行復(fù)檢，合格的軋輥方可上線使用。軋輥上線的損耗形式主要有磨損、燒裂、剝落及破裂等，下面根據(jù)各種損耗的特點(diǎn)提出軋輥使用時(shí)的注意事項(xiàng)。

3.1 減少軋輥的磨損

軋輥孔型表面越粗糙，軋輥孔型與軋件實(shí)際接觸面積就越小，從而使軋件表面因壓強(qiáng)增大而發(fā)生塑性變形，軋件與孔型面接觸處產(chǎn)生粘著現(xiàn)象。由于軋件對孔型不斷作相對滑動(dòng)，粘著處不斷形成和不斷破壞使產(chǎn)品表面劃傷，軋輥產(chǎn)生了粘著磨損。因而減少軋輥孔型表面的粗糙度（一般Ra0.8～Ra1.2），可有效減少軋輥的粘著磨損。

在冷彎型鋼的生產(chǎn)中，鋼帶常常粘附有硬的砂粒、氧化物、鐵屑或其他硬雜物，在軋件和軋輥孔型面作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，硬雜物可使孔型表面磨損擦傷。通常在保證軋輥有足夠硬度（成型輥和定徑輥HRC56～62）的同時(shí)，通過使用軋制液沖洗軋輥和鋼帶，并不斷過濾、沉淀軋制液中的硬雜質(zhì)等方法，可減少軋輥的這種磨料磨損。如果冷卻液的成分處理不當(dāng)或帶有腐蝕性的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，冷卻液就會(huì)腐蝕軋輥，使軋輥磨損加劇，這就是軋輥的腐蝕性磨損，因而注意冷卻液中的腐蝕性物質(zhì)也是很有必要的。

在生產(chǎn)過程中，軋件與軋輥的接觸面因滾動(dòng)和滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦，在交變的磨擦應(yīng)力作用下軋輥出現(xiàn)疲勞，從而引起了軋輥的疲勞磨損。軋輥中的氧化物夾雜及淬硬層的不均勻降低了軋輥表層的剪切強(qiáng)度，使軋輥抗疲勞壽命減少[7-10]。因而必須選用較好的軋輥材質(zhì)，并控制軋輥的熱處理質(zhì)量，成型輥的表面硬度達(dá)HRC60，HRC 硬度差值不大于 3；使淬透層的深度為 10～25 mm，這樣可減少軋輥的表面疲勞磨損。

3.2 防止軋輥的龜裂

龜裂是由于軋輥軋制時(shí)表面在交變的熱應(yīng)力作用下，產(chǎn)生網(wǎng)狀的裂紋。裂紋隨軋制時(shí)間的延長而加深，影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致軋輥斷裂。這種現(xiàn)象在冷卻不好的成型輥和高頻焊接的擠壓輥中出現(xiàn)較多。因此，對受力較大的成型輥要進(jìn)行充分冷卻，防止軋輥熱疲勞的產(chǎn)生；對于受熱的擠壓輥一般采用含碳量較低、表面硬度較低的軋輥，如使用3Cr2W8V 的材質(zhì)，其表面熱處理硬度為HRC52±2 作擠壓輥，并充分冷卻。

3.3 防止軋輥的破裂

軋輥使用時(shí)，由于受力過大、頻繁受到?jīng)_擊、不充分冷卻、嚴(yán)重擦傷等原因，輥體發(fā)生疲勞斷裂，出現(xiàn)大塊掉落或小塊淺層剝落。在生產(chǎn)過程中，要均勻調(diào)整各架成型力，避免軋輥負(fù)載過大；控制鋼帶頭尾接頭的焊瘤對軋輥的沖擊；保證軋輥的充分冷卻，從而防止軋輥的破裂。

4 結(jié)束語

科學(xué)的軋輥設(shè)計(jì)，精細(xì)的軋輥加工，正確的軋輥使用，可以減少軋輥的總量，降低軋輥的消耗，延長軋輥的使用壽命，從而提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，合理使用組合軋輥，增強(qiáng)軋輥的通用性，還可以降低生產(chǎn)成本，達(dá)到提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。